解析C語言結(jié)構(gòu)體字節(jié)如何對齊

01

默認(rèn)字節(jié)對齊

C語言結(jié)構(gòu)體字節(jié)對齊是老生常談的問題了，也是高頻面試題，現(xiàn)在我們來深入研究這個問題，徹底弄懂到底是怎么回事，給你一個結(jié)構(gòu)體定義和平臺機(jī)器位數(shù)就能手動計(jì)算出結(jié)構(gòu)體占用字節(jié)數(shù)，現(xiàn)在我們不使用宏#pragma pack，采用默認(rèn)字節(jié)對齊方式。

先拋出結(jié)論：

在一個結(jié)構(gòu)體中第一個成員變量放在偏移為0的位置，以后的變量都存儲在該變量占用字節(jié)數(shù)整數(shù)倍的地址上。

結(jié)構(gòu)體總大小，必須是內(nèi)部最大成員變量的整數(shù)倍，不足的補(bǔ)齊。

好了，現(xiàn)在我們直接寫個小程序驗(yàn)證并分析是否真是這樣一回事。

struct st{ short a1; short a2; short a3; }; struct st2{ long a1; short a2; };

這里我們定義了兩個很簡單的結(jié)構(gòu)體，short占用2個字節(jié)，struct st我們一眼就知道大小了6個字節(jié)，但是struct st2呢？筆者電腦是64位，那么long占用8個字節(jié)，short占用2個字節(jié)。我們先來按照結(jié)論進(jìn)行分析，在struct st2中成員變量a1在偏移0處存儲且占用8個字節(jié)，成員變量a2占用2個字節(jié)，由于8是2的倍數(shù)，所以a2在偏移8的位置存儲，又因?yàn)橛薪Y(jié)論2。

我們根據(jù)結(jié)論2可以得出，struct st2必須占用8的倍數(shù)大小，所以struct st2總大小是16個字節(jié)，不足的后面補(bǔ)齊?，F(xiàn)在我分別打印出struct st1和struct st2占用字節(jié)數(shù)大小和struct st2各個成員變量地址，觀察是否和分析的一樣。

int main（） { struct st2 st_val2; printf（“sizeof（long） = %d ”， sizeof（long））; printf（“sizeof（struct st） = %d ”， sizeof（struct st））; printf（“sizeof（struct st2） = %d ”， sizeof（struct st2））; printf（“st_val2 addr = %p ”， &st_val2）; printf（“st_val2 a1 addr = %p ”， &st_val2.a1）; printf（“st_val2 a2 addr = %p ”， &st_val2.a2）; return 0; }

編譯運(yùn)行輸出：

sizeof（long） = 8 sizeof（struct st） = 6 sizeof（struct st2） = 16 st_val2 addr = 0x7ffee107f3b8 st_val2 a1 addr = 0x7ffee107f3b8 st_val2 a2 addr = 0x7ffee107f3c0

現(xiàn)在我們看一下輸出結(jié)果，struct st如我們所愿占用6個字節(jié)大小，struct st2也按照我們分析的一樣占用16個字節(jié)。我們在程序中定義了一個struct st2類型變量st_val2，從輸出中可以看出變量st_val2的a1成員變量和st_val2變量地址一樣，成員變量a2在偏移8處存儲（0x c0 = 0xb8 + 8）。一切如我們所愿，看起來好像挺簡單的，我們知道C語言有豐富的數(shù)據(jù)類型，下面我們再定義一個更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體。

struct st3{ int a1; char a2; short a3; long a4; char a5; };

這個結(jié)構(gòu)體包含了大量數(shù)據(jù)類型成員變量，再復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體也能按照我們的結(jié)論分析到底占用了幾個字節(jié)。

在struct st3中int型成員變量a1占用4個字節(jié)，在偏移0處存儲，char型成員變量a2占用2個字節(jié)那么應(yīng)該放在2的倍數(shù)地址處存儲，a1已經(jīng)占用了4個字節(jié)，所以a2應(yīng)該在偏移4的地址存儲。

short型成員變量a3占用2個字節(jié)，也應(yīng)該放在2的倍數(shù)地址處存儲，所以a3在偏移6的地址處存儲，a2后面填充1個字節(jié)。

long型成員變量a4占用8個字節(jié)，應(yīng)該放在8的倍數(shù)地址上存儲，前面我們已經(jīng)知道a3在偏移6的地址處存儲，且占用2個字節(jié)8 = 6 + 2，所以a4應(yīng)該在偏移8的地址處存儲。

最后一個char型成員變量a5占用一個字節(jié)，那么a5在偏移16地址處存儲。

現(xiàn)在我們計(jì)算一下struct st3結(jié)構(gòu)體占用空間大小，從a5偏移出計(jì)算16 + 1 = 17。在struct st3中最大成員變量占用8個字節(jié)，所以結(jié)構(gòu)體總大小應(yīng)該是8的倍數(shù)，最后結(jié)構(gòu)體總大小是17 + 7 = 24，這里的7個字節(jié)在最后補(bǔ)齊。

我們依舊寫一個小程序輸出struct st3類型變量各個成員變量地址和結(jié)構(gòu)體總大小。

int main（） { struct st3 st_val3; printf（“sizeof（struct st3） = %d ”， sizeof（struct st3））; printf（“st_val3 addr = %p ”， &st_val3）; printf（“st_val3.a1 addr = %p ”， &st_val3.a1）; printf（“st_val3.a2 addr = %p ”， &st_val3.a2）; printf（“st_val3.a3 addr = %p ”， &st_val3.a3）; printf（“st_val3.a4 addr = %p ”， &st_val3.a4）; printf（“st_val3.a5 addr = %p ”， &st_val3.a5）; return 0; }

編譯運(yùn)行輸出：

sizeof（struct st3） = 24 st_val3 addr = 0x7ffeed0c33b0 st_val3.a1 addr = 0x7ffeed0c33b0 st_val3.a2 addr = 0x7ffeed0c33b4 st_val3.a3 addr = 0x7ffeed0c33b6 st_val3.a4 addr = 0x7ffeed0c33b8 st_val3.a5 addr = 0x7ffeed0c33c0

從輸出我們可以看出，和我們分析的完全一樣。

枚舉類型變量和聯(lián)合體類型變量都可以作為結(jié)構(gòu)體的成員變量，在分析這些結(jié)構(gòu)體占用大小時，分析方法和我們上面的一模一樣，只需要把內(nèi)部任何一種數(shù)據(jù)類型變量當(dāng)做一個普通變量看待即可，但是結(jié)構(gòu)體類型成員變量有點(diǎn)不一樣，它不適用于結(jié)論2，我們舉個例子。

struct st4{ char a1［3］; int a2; long a3; struct st3 a4; };

在struct st4中我們定義了一個struct st3類型成員變量，前面我們已經(jīng)分析過了struct st3占用24個字節(jié)。成員變量a1占用3個字節(jié)，成員變量a2占用4個字節(jié)，所以a2存儲在偏移4的地址上，在a1后面填充一個字節(jié)。成員變量a3占用8個字節(jié)，則a3存儲在偏移8的地址上。那么結(jié)構(gòu)體總共占用字節(jié)數(shù)大小是：8 + 8 + 24 = 40。

最后我們寫一個程序驗(yàn)證一下是否如此。

int main（） { struct st4 st_val4; printf（“sizeof（struct st4） = %d ”， sizeof（struct st4））; printf（“st4 addr = %p ”， &st_val4）; printf（“st_val4.a1 addr = %p ”， &st_val4.a1）; printf（“st_val4.a2 addr = %p ”， &st_val4.a2）; printf（“st_val4.a3 addr = %p ”， &st_val4.a3）; printf（“st_val4.a4 addr = %p ”， &st_val4.a4）; return 0; }

編譯運(yùn)行輸出：

sizeof（struct st4） = 40 st4 addr = 0x7ffeec1263a0 st_val4.a1 addr = 0x7ffeec1263a0 st_val4.a2 addr = 0x7ffeec1263a4 st_val4.a3 addr = 0x7ffeec1263a8 st_val4.a4 addr = 0x7ffeec1263b0

和我們分析的一模一樣。

02

#pragma pack宏的作用

我們看一下下面這段代碼。

#pagma pack（1）int main（） { struct st3 st_val3; printf（“sizeof（struct st3） = %d ”， sizeof（struct st3））; printf（“st_val3 addr = %p ”， &st_val3）; printf（“st_val3.a1 addr = %p ”， &st_val3.a1）; printf（“st_val3.a2 addr = %p ”， &st_val3.a2）; printf（“st_val3.a3 addr = %p ”， &st_val3.a3）; printf（“st_val3.a4 addr = %p ”， &st_val3.a4）; printf（“st_val3.a5 addr = %p ”， &st_val3.a5）; return 0; }

這段代碼里我們使用了#pagma pack宏，表示結(jié)構(gòu)體按1字節(jié)對齊。也就是說結(jié)構(gòu)體變量st_val3總大小是內(nèi)部成員變量占用字節(jié)數(shù)總和，沒有字節(jié)填充。

現(xiàn)在編譯運(yùn)行如下：

sizeof（struct st3） = 16 st_val3 addr = 0x7ffee13a93b8 st_val3.a1 addr = 0x7ffee13a93b8 st_val3.a2 addr = 0x7ffee13a93bc st_val3.a3 addr = 0x7ffee13a93bd st_val3.a4 addr = 0x7ffee13a93bf st_val3.a5 addr = 0x7ffee13a93c7

在struct st3中int型a1占用4字節(jié)，char型變量a2占用1個字節(jié)，short型變量a3占用2個字節(jié)，long型變量a4占用8個字節(jié)，char型變量a5占用1個字節(jié)，所以總大小是：4 + 1 + 2 + 8 + 1 = 16。如果是#pagma pack（2）呢？相信你可以自己計(jì)算了。

編輯：jq